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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Kräften zwischen Rad und Schiene wie der Querkraft Y, der Vertikalkraft Z und der Längskraft X, die insbesondere im Fahrbetrieb zwischen Rad und Schiene wirken, sowie von weiteren Parametern, insbesondere der Querlageposition y des resultierenden Berührpunktes einschließlich der unter speziellen Bedingungen im Fahrbetrieb zwischen Rad und Schiene auftretenden Mehrpunktberührungen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Instrumentierung eines Schienenfahrzeugrades mit Messfühlern, insbesondere Dehnungsmessstreifen, sowie einer Verrechnung der gemessenen Signale zu Summensignalen und der Bestimmung der für die Verrechnung erforderlichen Kalibrierfaktoren.
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Erfindungsgemäß kann ein so ausgerüstetes Messrad zur Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene und weiteren Parametern als ein sich auf einer Achswelle drehendes Einzelrad, oder ein mit einer Achswelle fest verbundenes Einzelrad, oder als Radsatz mit zwei mit der Achswelle fest oder drehend verbundenen Messrädern ausgebildet sein.
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Stand der Technik
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Für die Messung von Kräften zwischen Rad und Schiene stehen mehrere im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Verfügung:
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Achswellen-Verfahren
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Zu Beginn der Entwicklung von Messradsätzen wurde zur Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene der homogene Bereich der Achswellen genutzt. Beim reinen Achswellen-Verfahren bleibt jedoch der Einfluss der Querverschiebung des Radaufstandspunktes nicht berücksichtigt. Dieser entsteht bei kleinen Rädern oder bei großen Querverschiebungen des Radaufstandspunktes infolge des Befahrens enger Bögen.
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Kombiniertes Achswellen-Radscheiben-Verfahren
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Beim kombinierten Verfahren wird der beim Achswellen-Verfahren fehlende Einfluss der Querverschiebung des Radaufstandspunktes aus der Messung der Verformung der Radscheibe hergeleitet.
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Reines Radscheiben-Verfahren
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Das Radscheiben-Verfahren bildet den aktuellen Stand der Technik, bei dem ausschließlich auf der Radscheibe gemessen wird. Dabei erfolgt die Messaufnahme als Brückensignale über auf der Radscheibe angeordnete und untereinander verschaltete Sensoren. Die Signalübertragung erfolgt mittels Verstärkung zur Verrechnung und der Ausgabe der Signale. Hierbei kommt ein Algorithmus zum Einsatz, der eine Mischung aus statischen Kalibrierwerten und einer Winkel-Transformation beschreibt.
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Die ersten beiden Verfahren sind auf Grund des bei vielen Fahrzeugen zwischen Antrieb und Radscheibe oder zwischen Radsatzlager und Radscheibe zu kurzen homogenen Bereichs der Achswelle oft nicht anwendbar oder zu ungenau. Entsprechend ist das dritte Verfahren, das reine Radscheiben-Verfahren heute als Stand der Technik zu betrachten.
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Aus den Patentschriften
DE 4218929 C1 ,
WO 00/20831 ,
DE 3114499 A1 und
DE 10 2005 051 498 B3 bzw.
EP 178054 A2 sind Messradsätze zur Ermittlung der zwischen Rad und Schiene auftretenden Kräfte bekannt, bei denen Messfühler in mehreren Radien jeweils in zwei senkrecht zueinander stehenden Hauptebenen X∅ und Z∅ angeordnet sind. Dabei weisen die Messradsätze je Radius acht Messfühler (R1 bis R8) auf, wobei vier Messfühler (R1, R4, R5, R8) auf der Radscheibeninnenseite und vier Messfühler (R2, R3, R6, R7) auf der Radscheibenaußenseite liegen.
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Acht weitere Messfühler sind in jeweils denselben Radien der Radscheibe um 45° versetzt zu den vorher beschriebenen Messfühlern appliziert. Diese insgesamt 16 Messfühler, insbesondere ausgebildet als Dehnungsmessstreifen, sind zu vier Wheatstoneschen Vollbrücken zusammengeschaltet.
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Je nach Anforderung bzw. Bauart des Radsatzes sind auf mindestens einem und vorzugsweise auf bis zu vier Radien derartige Messfühler auf der Radscheibe appliziert, die zwei unterschiedlichen Koordinatensystemen zugeordnet sind und pro Radius zwei linear unabhängige Gleichungen zur Bestimmung der Kräfte beschreiben.
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Mit der Variation und Kombination aller Lösungen der eingangs aufgeführten Patentschriften wurden in den letzten 20 Jahren mehr als 200 Messradsätze gefertigt. Hierbei kommt bei den Radscheiben-Messstellen der in der
DE 10 2005 051 B3 beschriebene mathematische Algorithmus zum Einsatz. Kennzeichnend für diesen Algorithmus werden die Signale der beiden Hauptebenen miteinander verrechnet, um ein kontinuierliches Signal zu erhalten. Hierbei wird durch mathematische Verknüpfung eine zusätzliche Gleichung gebildet, die mit der doppelten Raddrehfrequenz rotiert und von einer ersten Gleichung linear unabhängig ist. Das erhaltene Gleichungssystem hat sechs Unbekannte. Um eine Lösung zu finden, wird aus zwei Hilfsebenen, die zu den Hauptebenen um 45° versetzt angeordnet sind, ein zweiter Satz Gleichungen gebildet, so dass man insgesamt sechs Gleichungen erhält.
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Nachteile des Standes der Technik
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Beim Einsatz derartiger Messradsätze für lauftechnische Abnahmen, durchgeführt von akkreditierten Prüfstellen für Eisenbahnrollmaterial wurden Unplausibilitäten der Summe der vertikalen Kräfte pro Drehgestell von bis zu ±4% und bei der Summe der Querkräfte pro Drehgestell sogar von bis zu ±20% festgestellt. Dadurch entsteht ein vollkommen falsches Bild und international festgesetzte Normgrenzwerte können auf Grund derartiger Fehler nicht eingehalten werden. Die im Stand der Technik bekannten Messradsätze haben bis heute die erwarteten Plausibilitätsnachweise „Summe der Querkräfte im Drehgestell” und „Summe der Vertikalkräfte im Drehgestell” nicht erfüllen können.
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Konkret wird die Plausibilität der Querkräfte Y durch den Vergleich der unausgeglichenen Querbeschleunigung am Achslager (direkt gemessen) mit der unausgeglichenen Querbeschleunigung am Achslager (berechnet aus der Summe der Querkräfte Y in einem Drehgestell) überprüft (siehe Gleichung 1). Anzumerken ist, dass:
- – die Plausibilität praktisch nur in konventionellen Bahnfahrzeugen mit 4 Radsätzen oder Radpaaren pro Fahrzeug in je zwei zweiachsigen Drehgestellen mit einer genügenden Genauigkeit überprüft werden kann.
- – keine quantitative Plausibilitätsprüfung für die einzelnen Querkräfte möglich ist. Es kann immer nur die Plausibilität der Summe aller Querkräfte eines Drehgestells geprüft werden. Das setzt natürlich voraus, dass alle Räder eines Drehgestells als Messräder oder alle Radsätze als Messradsätze ausgebildet sind. Bei Fahrzeugen ohne Drehgestell kann die Plausibilität auch für die Summe der Führungskräfte eines Radsatzes bzw. Radpaares geprüft werden.
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Die Summe der Querkräfte ΣY muss folgende Gleichung erfüllen:
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Das bedeutet, dass die aus der Summe der Querkräfte ΣY berechnete unausgeglichene Querbeschleunigung aqberechnet gleich der mit einem unabhängigen Sensor am Achslager gemessenen (in der Regel einem Inklinometer) unausgeglichenen Querbeschleunigung aqgemessen sein muss.
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Anzumerken ist ferner, dass:
- – diese Plausibilitätskontrolle bei quasistatischen Bedingungen sehr genau ist. Bei stark dynamischem Kräfteverlauf (z. B. auf Grund von schlechtem Gleis) ist sie ungenau. Dies kann durch Nutzung einer grösseren statistischen Basis kompensiert werden. Erfahrungsgemäß kann von einer Genauigkeit der Plausibilitätsprüfung von ca. 5–10% ausgegangen werden.
- – für den Fall, dass keine genaue Wägung von mMR vorliegt und die Genauigkeit der Messung der Vertikalkräfte z überprüft wurde und gegeben ist, kann anstelle von mMR die Summe aller Vertikalkräfte ΣZMR als Basis für die Berechnung der unausgeglichenen Querbeschleunigung am Achslager herangezogen werden (siehe Gleichung 2).
mit - g:
- Erdbeschleunigung (9.81 m/s2)
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Speziell die Lösung gemäss dem Stand der Technik nach
DE 10 2005 051 498 B3 zeigt bei der Messung der Führungskräfte Y in gewissen Situationen nur sehr ungenaue Resultate. Problematisch ist dies, weil gerade die grossen Kräfte, die mit Grenzwerten verglichen werden müssen, damit nur sehr ungenau gemessen werden können.
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Bei Radsätzen nach diesem Stand der Technik ergibt sich eine Abweichung bei der Plausibilitätsprüfung der Querkräfte Y in bestimmten Situationen (große Kräfte am bogenäußeren führenden Rad). Diese ist mit typischerweise 25–30% Abweichung deutlich größer als die Aussagesicherheit der Plausibilitätsberechnung selbst. Damit ist klar, dass es sich bei der Abweichung um einen systematischen Fehler der Messung handelt.
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In der Praxis wurde dieser systematische Fehler durch Faktoren korrigiert, was zu der unbefriedigenden Lösung führte, dass faktisch in diesem entscheidenden Betriebszustand nicht über die kontrollierte Einleitung von Kräften, die auf nationale Normale rückgeführt werden können, kalibriert wurde, sondern über die Plausibilitätsfunktion, die auf Grund der oben genannten Einschränkungen hierfür nicht geeignet ist.
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Insbesondere bei schweren Güterzuglokomotiven oder Universallokomotiven mit 4 oder 6 Achsen ist die quasistatische Querkraft Yqst nach EN 14363 die limitierende Größe. Genau diese Kraft wird mit Messradsätzen nach dem Stand der Technik in den Zuständen, wo sie am größten ist und damit auch genau dort, wo sie mit dem Grenzwert verglichen wird, nur sehr ungenau gemessen. Außerdem werden in der Auswertung der Querkräfte bei der Methode nach dem Stand der Technik zu starke mathematische Vereinfachungen durchgeführt.
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Da die Messung der Querkräfte mit Messradsätzen nach dem Stand der Technik also gerade in der entscheidenden Situation sehr ungenau ist, wurde intensiv nach der Ursache dieser Ungenauigkeit und einer Verbesserung der Technologie geforscht.
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Im Stand der Technik wird bei der Verrechnung der Brückensignale eines Radius davon ausgegangen, dass der Signalverlauf bei Rotation des Rades einem Sinus-Signal folgt. Genauere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies insbesondere bei der Einleitung von vertikalen Z-Kräften nicht der Fall ist. Damit wird bei der Verrechnung der Signale im Stand der Technik ein entscheidender systematischer Fehler gemacht, der zur oben beschriebenen Unplausibilität führt.
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Aus kommerziellen Gründen nehmen Geschwindigkeit und Achslasten im Schienenverkehr zu. Dabei ist es nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen unbedingt erforderlich, die Kräfte zwischen Rad und Schiene genau zu kennen, um die Auswirkungen auf den Oberbau und das Fahrzeug beurteilen zu können. Auch auf Grund der Liberalisierung des Eisenbahnverkehrs in Europa muss die Einhaltung entsprechender Grenzwerte für die Kräfte zwischen Rad und Schiene nachgewiesen werden können. Hierzu wird ein Verfahren benötigt, mit dem die Kräfte zwischen Rad und Schiene zuverlässig und exakt gemessen werden können.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messrad und Verfahren zur Instrumentierung für die Messung von Kräften zwischen Rad und Schiene und weiteren Parametern sowie für die Kalibrierung und Auswertung der gemessenen Signale bereitzustellen, mit dem gegenüber dem Stand der Technik eine signifikante Erhöhung der Genauigkeit erreicht wird.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Lösung.
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Erfindungsgemäß werden dabei durch die Aufhebung der Aufteilung der Dehnungsmessstreifen in Hauptebenen und 45°-Ebenen, sowie durch die Verrechnung mit einem neuen Algorithmus und durch ein neues kalibriertechnisches Bewertungsverfahren der Ausgangssignale der Wheatstoneschen Messbrücken die beschriebenen Nachteile behoben.
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Vorteile der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Annahme, dass es sich bei den Brückensignalen um Sinussignale handelt, fallen gelassen und die Signale werden statt dessen als Fourier-Reihen dargestellt und mathematisch analysiert. Damit wird der entscheidende Fehler bei der Kalibration und Auswertung gegenüber dem Stand der Technik nicht mehr gemacht.
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Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Lösung die Kalibrationsmethode entscheidend verbessert worden, so dass Kräfte nur noch an den Stellen eingeleitet werden müssen, wo sie sehr genau aufgebracht werden können (jeweils praktisch senkrechte Einleitung). Hierdurch werden insbesondere die Genauigkeit für die Kalibration der Kräfte in Tangentialrichtung X und die Querlage y des Radaufstandspunktes erhöht.
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Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass die um 360° rotations-symmetrischen Radscheiben-Brückensignale durch Fourier-Reihen dargestellt und mathematisch analysiert werden. Durch diese Analyse ist es möglich, für jeden Messradius mit seinen jeweils vorzugsweise gleichwinklig angeordneten, beispielsweise 16 Dehnungsmessstreifen (je 8 auf jeder Radseite) ein vom Raddrehwinkel unabhängiges Signal zu ermitteln, das in einem klar definierten Zusammenhang zu den Kräften zwischen Rad und Schiene und weiteren Parametern steht.
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Damit vereinfacht sich das bei der Kalibration zu lösende Gleichungssystem gegenüber dem Stand der Technik auf drei Gleichungen. Das Gleichungssystem ist damit durch Anbringen von Messfühlern in Beispielweise drei Radien lösbar.
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Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verbleibenden Oberwellen betragen so weniger als 2% des Messwertes. Damit wird eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit erreicht, die insbesondere bei der Messung der Y-Kräfte bezogen auf den Stand der Technik von Vorteil ist.
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Die Auswertung der Plausibilitätsfunktion von Messrädern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt eine hervorragende Übereinstimmung auch in Zuständen mit sehr hohen Querkräften am bogenäußeren, führenden Rad (siehe Abbildung).
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Abb.: Es zeigt sich ein lineares Verhalten mit einer Abweichung von 5%, welche in der Größenordnung der Aussagesicherheit der Plausibilitätsfunktion selber liegt.
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„aqber” entspricht aqberechnet in Gleichung 1. „bg” entspricht aqgemessen in Gleichung 1.
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Damit weisen Messräder nach der erfindungsgemäßen Lösung keine systematischen Fehler mehr auf, welche zu Ungenauigkeiten führen.
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Die erfindungsgemäße Lösung behebt damit ein seit langem bestehendes, unbefriedigtes Bedürfnis und führt zu einer markant verbesserten Erfüllung der Plausibilitätskriterien und damit zur markanten Verbesserung der Genauigkeit in einem wesentlichen Einsatzfall.
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Ausgestaltung und Weiterbildungen
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Bei einem erfindungsgemäßen Messrad für die Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Instrumentierung:
- – auf den Radscheiben Messfühler, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, beispielsweise in drei Radien angebracht
- – die Dehnungsmessstreifen in jedem Messradius an 2n Positionen, mit beispielsweise n = 3 gleichwinklig verteilt appliziert
- – innerhalb einer Messebene und einem Radius die Messfühler auf der einen (DMS 1 und 4) und auf der anderen Radseite (DMS 2 und 3) appliziert und zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet
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Die Position der Messfühler kann dabei von Messradius zu Messradius unterschiedlich sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Instrumentierung erhält man je Messradius 2
n-1 Signale S
i, die mit Hilfe von Fourier-Reihen mathematisch dargestellt und analysiert werden können:
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Durch eine erfindungsgemäße Verrechnung dieser vier Signale mit dem aktuellen Raddrehwinkel α kann für jeden Radius ein Summensignal Sj gebildet werden, das ausschließlich von den Fourier-Koeffizienten abhängt. Si = fi(ai0 ... ain, bi1...bin)
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Diese Summensignale der drei Messradien sind für jede Radscheibe von den angreifenden Kräften Y, Z und M linear abhängig. M repräsentiert dabei eine Kraft, die einem Moment entspricht, das durch die Querverschiebung des Radaufstandspunktes entsteht. Daraus folgt: S1 = k11·Y + k12·Z + k13·M = f1(a10 ... a1n, b11 ... b1n) S2 = k21·Y + k22·Z + k23·M = f2(a20 ... a2n, b21 ... b2n) S3 = k31·Y + k32·Z + k33·M = f3(a30 ... a3n, b31 ... b3n)
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Die k-Werte sind durch separate Einleitung der drei Kräfte Y, z und M an verschiedenen Winkelpositionen zu ermitteln. Die Einleitung der Kräfte erfolgt dabei an so vielen Winkelpositionen wie es für eine ausreichend genaue Ermittlung der Fourier-Koeffizienten a und b erforderlich ist. Die Einleitung aller Kalibrationskräfte kann dabei in nahezu rechten Winkeln erfolgen, so dass eine genaue Krafteinleitung gewährleistet ist. Insbesondere die Kraft M wird am Radrücken eingeleitet.
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Bezugszeichenliste
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- aqberechnet:
- Berechnete unausgeglichene Querbeschleunigung am Achslager, berechnet aus der Summe der Querkräfte Y
- X
- Längskraft auf das Rad
- Y
- Querkraft auf das Rad
- Z
- Vertikalkraft auf das Rad
- M
- Kraft am Radrücken, die einem durch die Verschiebung des Berührpunktes eingeleiteten Moment entspricht
- ΣYMR:
- Summe der Querkräfte Y aller Messräder
- ΣZMR:
- Summe der Vertikalkräfte Z aller Messräder
- mMR:
- Von allen Messrädern gemeinsam getragener Anteil des Fahrzeuggewichtes
- aqgemessen:
- Gemessene unausgeglichene Querbeschleunigung am Achslager (gemessen üblicherweise mit Inklinometer)
- Si
- Signal einer Messbrücke
- Si
- Signal eines Messradius
- ai, bi
- Fourier-Koeffizienten
- kij
- Kalibrierfaktoren
- α
- Raddrehwinkel
- γ
- Querlageposition des resultierenden Berührpunktes
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Ausführungsbeispiele
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Die erfindungsgemäße Lösung wird beispielsweise anhand der nachfolgenden Zeichnungen erläutert. Hierin zeigen:
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1 ein Radprofil (1) eines Schienenfahrzeugrades im Querschnitt mit den Rad-Schiene-Berührkräften X (Längskraft), Y (Querkraft), Z (Vertikalkraft), einer weiteren Kraft M, die einem Moment aus der Querverschiebung des Berührpunktes (3) und der Vertikalkraft Z entspricht
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2 ein erfindungsgemäßes Messrad (5), dass eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Instrumentierung mit Messstellen (11, 21, 31) versehene Radscheibe aufweist
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3 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Verfahrensschritten zur Instrumentierung eines Messrades (5) und zur Verrechnung von Messsignalen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4218929 C1 [0009]
- WO 00/20831 [0009]
- DE 3114499 A1 [0009]
- DE 102005051498 B3 [0009, 0018]
- EP 178054 A2 [0009]
- DE 102005051 B3 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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